基于地物tin模型的日照時數(shù)計算的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及復雜地形的日常時數(shù)計算，尤其涉及一種基于地物TIN模型的日照時 數(shù)計算。
【背景技術】
[0002] 地球形體以及遮擋與被遮擋地物所處的空間位置對日照時數(shù)具有重要的影響，但 是在傳統(tǒng)建筑日照分析研究中，把整個分析區(qū)域作為同一經煒度下的理想平面，不僅忽略 了地球的形體特征，同時也忽略了遮擋與被遮擋地物所處經煒坐標的差異。根據(jù)《橢球大地 測量學》理論，當?shù)厍虮砻婢嚯x大于10公里時，法截線的計算必須考慮地球的形體特征。以 南京（東經118° 48'，北煒32° 04')為例，2008年12月21日（冬至日）上午7:30， 按照直角三角形邊角關系，產生10公里長的陰影只需700米高的地物。
[0003] 反之，地物之間的經煒坐標差異將呈現(xiàn)在高度角和方位角的計算上，從而影響地 物的陰影范圍計算，最終導致日照時數(shù)計算出現(xiàn)較大誤差。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種日照時數(shù)計算方式，以解決現(xiàn)有技術存在 的問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0006] 基于地物TIN模型的日照時數(shù)計算，包括以下步驟：
[0007] 建立地物TIN模型的數(shù)據(jù)結構Iitin1，tin2,......，tinj，所述數(shù)據(jù)結構中單個點的 內存結構包括：由經度L、煒度B、高程H構成的大地坐標系，由站心經度U、站心煒度V、 和高程屮構成的站心坐標系，以地心為中心的X、Y、Y空間直角坐標系X，Y和Z，還包括它 們之間的轉換標志Flag;
[0008] 計算出日出日落時間，得出全天日照時間，根據(jù)設定的步長對全天日常時間進行 離散，形成離散的時刻序列[T1, T2，……，TJ ;
[0009] 計算時刻序列中某一時刻點1\的太陽高度角和方位角，然后循環(huán)地物TIN列表中 的地物數(shù)據(jù)，計算出tin,在受影高度平面上形成的投影S ,，然后判斷需要計算日照時數(shù)的 點是否被S,遮擋，一旦發(fā)生遮擋立即退出循環(huán)；
[0010] 然后繼續(xù)循環(huán)Τ1+1···τη，計算出得出需要計算日照時數(shù)的點被連續(xù)遮擋的時間段 序列{[Tx.. . Τχ+η]，[Τχ，，. . .，Tx，J，. . · [Τχ"，. . .，Tx" +q]}，并累計出需要計算日照時數(shù)的點 被遮擋時間Tn，然后計算出日照時間段Tm= T τ-ΤΝ。
[0011] 判斷需要計算日照時數(shù)的點是否被S,遮擋時，如果需要計算日照時數(shù)的點在S ,內 部，所述內部包含邊界，則視為tin,對需要計算日照時數(shù)的點產生遮擋。
[0012] 所述需要計算日照時數(shù)的點被遮擋的判斷方法為：
[0013] 當受影面高度大于0米時，認為遮擋需要計算日照時數(shù)的點的地物在受影面上的 投影為"平面" TIN，此時，如果平面上需要計算日照時數(shù)的點在平面的外部，那么地物TIN 不對需要計算日照時數(shù)的點不產生遮擋，如果平面上需要計算日照時數(shù)的點在平面的內 部，那么地物TIN不對需要計算日照時數(shù)的點產生遮擋；
[0014] 當受影面高度等于0米時，認為地物在地球的橢球面上投影，此時，需要計算日照 時數(shù)的點位于地球的橢球面上，認為橢球面上的TIN為球面，通過面積比較法判斷需要計 算日照時數(shù)的點與球面三角形的拓撲關系，如果平面上需要計算日照時數(shù)的點在球形三角 形的外部，那么球面三角形對需要計算日照時數(shù)的點不產生遮擋，如果平面上需要計算日 照時數(shù)的點在平面的內部，那么球面三角形對需要計算日照時數(shù)的點產生遮擋。
[0015] 如果受影面與地物TIN相交，則地物TIN在受影面上投影產生四邊形或者三角形 或者直線或弧線。對于直線或弧線，則需要判斷需要計算日照時數(shù)的點是否在線上來判斷 是否產生遮擋；而對于四邊形，則需要分割為兩個三角形，然后對每個三角形判斷需要計算 日照時數(shù)的點在三角形的內部還是外部，來判斷是否產生遮擋。
[0016] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明減少了經煒坐標導致的誤差，改進了日照時數(shù)的計算 方法，顯著地提高了日照時數(shù)的計算精度。
【附圖說明】
[0017] 圖1為地物TIN模型的內存數(shù)據(jù)結構。
[0018] 圖2為地面點的地心空間直角坐標與日照二維平面坐標對應關系。
[0019] 圖3為地物獨立性遮擋原理示意圖。
[0020] 圖4為基于地物TIN投影的日照時數(shù)計算流程。
[0021] 圖5為點與球面三角形的關系。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023] 因為復雜的地理場景中包括建筑、地形、植被和標志物等地物要素，所以選擇TIN 數(shù)據(jù)模型表達地物數(shù)據(jù)不僅能有效實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合和轉換，而且簡化了地物投影與測 試點拓撲關系的判斷過程。
[0024] 本發(fā)明使用天文算法即《Astronomical Algorithms》（Meeus, 1998)公布的方法 (TEP-SPA的代表算法）作為計算太陽位置的SPA算法。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明中，建筑、地形和其他地物類型統(tǒng)一采用TIN結構表達，單個 TIN則由無序的三點（_3DPoint自定義結構）組成。為避免浮點計算過程中忽略極小量， 提高計算精度，需要對地心空間直角坐標統(tǒng)一轉換為站心坐標系進行相關計算。因此，單 個點的內存結構需要包含：大地坐標系（經度L、煒度B和高程H)、站心坐標系（站心經度 U、站心煒度^、和高程^ )、地心空間直角坐標系（X，Y和Z)以及相互之間的轉換標 志 Flag。
[0026] 因此，上述中可以實現(xiàn)地物原始數(shù)據(jù)類型到TIN數(shù)據(jù)結構的轉換。由于建筑、地形 和其他地物類型的表面空間數(shù)據(jù)都可以簡化為點、面和體要素類型，因此最終都可轉換為 TIN結構的三角面片單體數(shù)據(jù)類型。
[0027] 在天文經煒與大地經煒中存在一定差異，垂線偏差是導致其差異的主要因素之 一，而坐標系的也會導致垂線偏差的出現(xiàn)。為達到最好的效果，本發(fā)明采用WGS84大地（質 心）坐標系作為本研究的坐標系參照，下述中經煒度即指WGS84坐標系下經煒度。為區(qū)分 天文坐標系和大地坐標系，下述將采用"地球坐標系統(tǒng)"表示適用于日照分析研究的最佳大 地（質心）坐標系統(tǒng)，本文即指WGS84大地質心坐標系。
[0028] 本發(fā)明首先構建一個二維平面坐標系，即由遮擋地物的遮擋點、地面點和太陽位 置構建的平面二維坐標系統(tǒng)（以下簡稱"日照坐標系"）。
[0029] 然后，為了描述與計算方便，需對同一個點的不同坐標系表達之間進行轉換。本發(fā) 明中采用WGS84大地（質心）坐標系作為坐標系參照，下述中經煒度即指WGS84坐標系下 經煒度。同時為區(qū)分天文坐標系和大地坐標系，下述將采用"地球坐標系統(tǒng)"表示適用于日 照分析研究的最佳大地（質心）坐標系統(tǒng)，本發(fā)明中即指WGS84大地質心坐標系。同時設 定由遮擋地物的遮擋點、地面點和太陽位置構建的平面二維坐標系統(tǒng)（以下簡稱"日照坐 標系"）。
[0030] 如圖2所示，首先構建地面點P在地心空間直角坐標系下（X，Y，Z)與日照坐標系 下（x，y，z)的對應關系，實現(xiàn)步驟如下：
[0031] (1)構建空間坐標系與P點站心坐標系（X，y，Z方向不變）關系式
[0032] 把大地空間直角坐標系O-XYZ平移至P點，變換成以P點為中心的坐標系P-XYZ， 由于P在O-XYZ坐標系下坐標為：
N為P點卯酋圈曲率半徑，e 為橢球第一偏心率，L、B為P點經煒度，Hp為P點大地高（如果P點在球面上則H p= 0)。
[0033] 此時，空間任一點（不與P重合，假設為M)在P-XYZ坐標系中坐標（Xp M，Yp M，Zp M) 與O-XYZ坐標系下坐標（XM，YM，ZM)的對應關系為：
[0035] (2) P點站心坐標系轉換為P站心地平直角坐標系（X向地平北，z向天頂）
[0036] 針對坐標系P-XYZ，首先繞Z軸順時針旋轉經度180° -L (L為P點經度），然后Y 軸反向變換為t，再繞t軸順時針旋轉90° -B (B為P點煒度），則形成以P點為中心， 經煒切線方向分別為t的新直角坐標系P-X' 。則點M在P-X' 坐 標系中坐標變?yōu)椋?br>CN 105116470 A 說明書 4/8 頁
[0041] (3) P站心地平直角坐標系轉換為日照二維坐標系（x為日照投影方向）
[0042] 假設某一時刻，太陽方位角為A，如果坐標系P-X^ 繞f軸順時針旋轉 A (方位角上午為負，下午為正），形成新坐標系P-xyz，在P-xyz坐標系中，日照光線與遮擋 物在一平面內。而此時點M在P-xyz坐標系中坐標變?yōu)椋?br>[0044] 由公式⑴和公式⑵可得到P-X^ 和O-XYZ關系。又由于R為旋轉矩陣 (也為正交矩陣），因此存在：R 1 ( Θ ) = Rt ( Θ )和J 0義=J 1沒。
[0045] 由此可以得出P-xyz與O-XYZ關系為：
[0048] 由于日照光線與測試點和地面點組成的直線在同一平面內，因此，相對某一時刻 而言y Ξ 0,即：
CN 105116470 A I兄明書 5/8 頁
[0054] 采用公式（7)可構建出0-XYZ、P-xyz和（L，B)之間的對應關系，即：由O-XYZ變 換為P-xyz采用公式（5)，由P-xyz變換為O-XYZ采用公式（6)，根據(jù)經煒度和方位角計算 O-XYZ采用公式（7)。上述公式中，L、B為P1^PP i煒度和經度，N為（L，B)位置對應的卯酋 圈曲率半徑，e為橢球第一偏心率；Hp為計算點大地高（如果P處于地面上，H p= 0)。
[0055] 接下來，進行日照投影公式的求取。
[0056] 在空間直角坐標系下，M。為遮擋體，M 2和M 3為被遮擋物，M。大地高為H。，M3大地高 為H1。P。為M。地面點，P M。某一點（圖示為最高點）；P 2為被遮擋體M 3地面點，P 3為M 3 頂點。假設匕為測試點，遮擋P 3的地物為M。，那么M。完全不遮擋P 3點日照光線的充分必要 條件為：以M。上任一點P i和太陽位置所構建出的日照光線，在與距地面高為H i的陰影面的 交點，不等于匕點經煒度。于是日照遮擋問題的求解轉化為：計算某一時刻P1點的日照光 線，與一定大地高的陰影面交點問題。
[0057] P。為遮擋地物M。地面點，P i為遮擋地物上產生陰影的某一點，P呢P。距離為H。。 在某一時刻，P1*太陽高度角為h，G2為過P1A的日照光線，P3S測試點，也即G2與受影 面交點。匕與P 3具有相同大地坐標但高度為〇的地面點。假設P c處經煒度分別為L和B， P2處經煒度即為待求經煒度Lx和Bx，則P JP P 3大地經煒坐標分別為（L，B，H。）和（Lx，Bx， H1) 〇
[0058] 在P-xyz